压力管道双管输水镇墩计算要点及安全系数取用

刘帮超

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

在压力输水管线中,镇墩的设置是必不可少的,在镇墩计算过程中由于墙背土压力取用值不同,各工况及使用条件不同,各规范相应的安全系数各有差异,通过对陕北某工程镇墩在不同墙背土压力及安全系数条件计算,确定适合工程实际的土压力计算方法及安全系数取用值。

1 工程概述

陕北地区某压力输水工程,全长约22 km,前段10 km采用双管DN1600 管道输水,根据压力不同管材分别有钢管、球墨铸铁管和预应力钢筒混凝土管,加压段共设置镇墩约72座,取其中1座镇墩作为典型镇墩进行分析计算。平面转角按α为45°计算,立面转角上下游各1°,立面角为上弯弯管。

图1 镇墩平面示意图

2 工况及荷载

2.1 工况确定

按照镇墩使用情况可将镇墩计算工况分为：1）基本组合设计运行工况；2）基本组合检修运行工况；3）特殊组合水锤校核工况；4）特殊组合水压试验工况。各工况对应的荷载见表1。

表1 镇墩稳定计算荷载组合

2.2 荷载计算

（1）管道自重

60#镇墩上下游管道均为T型K9 级球墨铸铁管,单米重量为764 kg/m,计算管重长两侧各算至第一个承插接口。

（2）管内水重

将管道内水重按照上下游各5m长分别计算,管道外径为1.668 m,壁厚为18.9 mm,管道计算内径为1.63 m。

（3）水推力

工况一,60#镇墩处正常运行时水压线标高为1149.73 m,管中心线高程为1094.88 m,正常运行水压力水头为54.85 m。

工况二,检修工况,检修阀门上游管道,阀门关闭,放空上游管道,阀门处受出水池水位静水压力,出水池水位为1146 m,压力水头为51.12 m。

工况三,管道发生校核水锤工况时所受水压力,此处按照正常运行水头的1.5 倍计算,计算水头为82.3 m。

工况四,打压工况,为管道及镇墩建成后进行水压试验,试验压力为正常运行水头增加50 m计算为104.85 m。

（4）离心力

工况一,正常运行工况,设计流量为5.03 m3/s,单管流量为2.52 m3/s,管内流速为1.2 m/s；工况二,检修工况与工况三打压工况,流速为0,水锤工况时,根据水力过渡分析,单管最大倒流流量为1.55 m3/s,对应管内流速为0.77 m/s计算。

（5）承插口水推力

管道接口设计内径为1.76 m,管道计算内径为1.63 m。

（6）水压力的合成与分解

式中：P水上为上游内水压力产生的水推力,N；P水下为下游内水压力产生的水推力,N。

图2 镇墩水压力计算受力简图

表2 镇墩基本荷载计算值

（7）土压力

A.按照《水利水电工程压力钢管设计规范》中土压力计算如下：

土压力在镇墩周围及顶面分布,主动土压力作用方向与镇墩所受外力合力方向一致,被动土压力与镇墩所受合力方向相反。墩顶覆土为2.8 m,填土容重γ为18 kN/m2,内摩擦角为27°。按照拟定的不同镇墩尺寸及受力方向,计算出各工况的土压力。

式中：Ep为作用在镇墩抗推力一侧的被动土压力,N；Ea为作用在镇墩迎推力一侧的主动土压力,N；被动土压力可进行折减,被动土压力折减系数,当镇墩无位移时可取0.8~0.9,小位移时可取0.4~0.9,此算例取0.6。

B.按照土压力基本计算理论,土压力应与土的粘聚力有关,土压力主要分为静止土压力、主动土压力和被动土压力,三种土压力的定义和计算公式分别为：

①静止土压力：当挡土墙为刚性不动时,土体处于静止状态不产生位移和变形,此时作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力E0。

对于砂土或正常固结粘土,

式中：φ'为填土的有效内摩擦角。

②主动土压力：如果挡土墙背离填土方向转动或移动时,随着位移量的逐渐增加,墙后土压力逐渐减小,当墙后填土达到极限平衡状态时的土压力称为主动土压力Ea。

对于无粘性土,C=0,

③被动土压力：如果挡土墙向着填土方向转动或移动时,随着位移量的逐渐增加,墙后土体受到挤压而引起土压力逐渐增加,当墙后填土达到极限平衡状态时增大到最大值,此时作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力Ep。

对于无粘性土,C=0,

3 拟定镇墩尺寸及计算

按照不同规范安全系数要求,确定安全系数取用。

（1）《给水排水工程管道结构设计规范》4.2.13规定“对非整体连接的管道,在其敷设方向改变处,应作抗滑稳定验算。对沿滑动方向一侧的土压力可按被动土压力计算；抗滑验算的稳定性抗力系数不应小于1.5”。

（2）《泵站设计规范》中规定,镇墩抗滑稳定安全系数的允许值：基本组合下不应小于1.30, 特殊荷载组合下不应小于1.10,对土压力计算未作明确规定。

（3）《水利水电工程压力钢管设计规范》中规定,抗滑稳定性安全系数,可取1.5；对被动土压力计算,采用折减系数进行折减。

（4）《柔性接口给水管道支墩》中,抗滑稳定性抗力系数为1.5；迎推力侧按照主动土压力计算,抗推力侧按照被动土压力计算。

由于《给水排水工程管道结构设计规范》为强制条纹,安全系数按1.5,拟定镇墩尺寸。

分别采用被动土压力加折减、静止土压力、主动土压力作为墩背土的有利荷载,在满足安全系数的情况下,拟定A型、B型、C型三种镇墩尺寸,并计算出其他两种土压力对应的安全系数,计算结果见表3。

表3 不同墩背土压力对应的安全系数计算值（满足被动土压力加折减）

4 结果分析

（1）根据土压力计算结果可知,静止土压力为主动土压力的1.45倍,被动土压力为主动土压力的7.09 倍,当被动土压力按照0.6折减系数折减后,折减被动土压力为主动土压力的4.25倍。被动土压力为静止土压力的3.44倍。如将被动土压力折减为静止土压力,折减系数约为0.3。

（2）当采用被动土压力加折减作为墩背土压力时,拟定的A型镇墩,安全系数为1.53（打压工况）对应的静止土压力作为墩背土压力时的安全系数为0.92,不满足规范要求,对应的主动土压力作为墩背土压力时的安全系数为0.82,不满足规范要求。

（3）当采用静止土压力作为墩背土压力时,拟定的B型镇墩,安全系数为1.50（打压工况）对应的被动土压力加折减作为墩背土压力时的安全系数为2.32,满足规范要求,对应的主动土压力作为墩背土压力时的安全系数为1.37,不满足规范要求,差异较小。

（4）当采用主动土压力作为墩背土压力时,拟定的C型镇墩,安全系数为1.51（打压工况）对应的被动土压力加折减作为墩背土压力时的安全系数为2.51,满足规范要求,对应的主动土压力作为墩背土压力时的安全系数为1.65,满足规范要求。

（5）由于抗滑安全系数不同,拟定的镇墩尺寸不同,对应工程量及造价存在差异,A型镇墩混凝土体积为168.3 m3,B型镇墩混凝土体积为386.3 m3,C型镇墩混凝土体积为448.3 m3。B型镇墩较A型镇墩体积增大129%,C型镇墩较A型镇墩体积增大166%。

5 结论及建议

5.1 结论

（1）当镇墩背部填土按照被动土压力计算时,能减少镇墩体型,但安全系数相应降低,按照被动土压力的定义,产生被动土压力时墙背已出现压缩位移变形,但对应压力输水管线位移变形将对管道安全产生不利影响,故从管道长期安全运行考虑,镇墩背部土压力计算不宜采用被动土压力,如采用被动土压力计算,应采用不小于0.3的折减系数。

（2）当镇墩背部填土按照静止土压力计算时,镇墩在各工况条件下运行稳定合理,工程量适中,可作为镇墩体型拟定的控制土压力。

（3）当镇墩背部填土按照主动土压力计算时,镇墩体型较大,工程量大,工程投资偏大,不推荐作为控制土压力。

（4）《水利水电工程压力钢管设计规范》中土压力计算公式,应考虑土的粘聚力作用。

（5）在镇墩的抗滑安全系数取用时,应按照《给水排水工程管道结构设计规范》中的相关规定,满足抗滑安全系数不小于1.5。

5.2 建议

在水利供水工程镇墩计算时,应分析管线工况及管道条件,在小管径、低水头镇墩设计时镇墩体型对工程造价差异不大；在大口径、高水头镇墩设计时,应详细分析计算工况及管道条件,可有利于节约工程投资。